Ansoft 12在工程电磁场中的应用.pdf-资料库

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第一章 Ansoft 二维使用基础本章主要介绍了 Ansoft V12 版本二维有限元软件的操作基础，Ansoft 除了计算的准确度、快速性之外，还应该具有操作简单、使用快捷等优点，但是再好的软件也需要读者经过一定时间学习之后才能上手。本章将二维有限元操作中的共性问题提出，希望通过对本章的学习，能在最短的时间内上手 Ansoft V12，并对 Ansoft 有限元的流程有一定的了解。 1

第一章 Maxwell 2D 使用基础本章导读： Ansoft V12 有限元计算软件，在不同的计算模块中，有不同的计算侧重点，但作为有限元软件，其计算流程和绘制模型、材料添加、后处理等操作又具有相当大程度的相似性，所以将相似性较高的部分取出，单独成章，方便阅读和查阅，而不具备通用性的内容则尽量在各相关章节给予说明。本章内容包括：认识 Maxwell 2D 的界面环境 Maxwell 2D 的模型绘制 Maxwell 2D 的材料管理 Maxwell 2D 的边界条件和激励源 Maxwell 2D 的网格剖分和求解设置 Maxwell 2D 的后处理操作流程 1.1 初识 Maxwell 2D 的界面环境 Maxwell 2D 界面与上一版本相比较改动较大，基本上已经颠覆了老版本的界面和操作方式，所以对于部分软件的老用户来讲，需要从新熟悉新版本的操作。因此，本章先介绍一下操作界面，如图 1-1 所示的是 Maxwell 2D 的操作界面，在菜单工具栏下，主要有 6 个工作区域。图 1-1 Maxwell V12 2D 操作界面 2

左侧为工程管理栏，可以管理一个工程文件中的不同部分或管理几个工程文件。其下方为工程状态栏，在对某一物体或属性操作时，可在此看到操作的信息。最下方并排的是工程信息栏，该栏显示工程文件在操作时的一些详细信息，例如警告提示，错误提示，求解完成等信息。在旁边的工程进度栏内主要显示的是求解进度，参数化计算进度等，该进度信息通常会用红色进度条表示完成的百分比。在屏幕中部是工程树栏，在此可以看到模型中的各个部件及材料属性、坐标系统等关键信息，也方便用户对其进行分别管理。在操作界面最右侧较大区域为工程绘图区，用户可以在此绘制所要计算的模型，也可以在此显示计算后的场图结果和数据曲线等信息。绘图时带有笛卡尔坐标系和绘图网格，方便用户绘制模型。如果读者不小心在操作中将这几区域给关闭了，还可以在 View 菜单栏中将其对应项前的对号勾上，则对应的区域会从新显示出来。如图 1-2 所示。图 1-2 View 菜单下恢复操作区域在界面的主菜单下，有两至三排的快捷按钮，现将主要操作按钮介绍一下。 (1) 计算类型快捷按钮 (2) 常用快捷按钮 (3) 视图操作快捷按钮 (4) 模型绘制快捷按钮 (5) 模型材料快捷按钮 (6) 相对坐标系快捷按钮 3

(7) 模型检测和注释快捷按钮图 1-3 Maxwell V12 2D 主要操作按钮当然，还有其他一些未说明的操作按钮，在不同操作状态下软件会自动显示可以使用的操作按钮，而不可使用的功能操作按钮则会显示为灰色。这些快捷按钮在下拉菜单栏中都有相应的位置，也可以通过下拉菜单进行操作。在图 1-3 (1)中的三个图标，从左至右分别为新建 Maxwell 2D 工程，新建 RMxprt 工程和新建 Maxwell 3D 工程。图 1-3 (2)中的则是常用快捷按钮，有新建、打开、保存和打印等常用功能按钮。图 1-3 (3)中则是常用视图操作按钮，有视图移动、旋转、缩放和全局视图等按钮。图 1-3 (4)中所示的是常用绘图按钮，分为常用绘制线段、曲线、圆、圆弧和函数曲线按钮，以及常用绘制面的按钮，分为矩形面、圆面、正多边形面和椭圆面几个快捷按钮。图 1-3 (5)是材料快捷按钮，在绘制模型前，可以点击下拉菜单事先选择好所绘模型的材料，方便按照材料进行模型绘制分组，软件默认的是真空材料。图 1-3 (6)是相对坐标系快捷按钮，对于永磁体充磁和特殊几何模型绘制时需要采用局部坐标系，通过使用快捷按钮可以将坐标系移动和旋转，从而生成新的局部坐标系。图 1-3 (7)是模型检测，求解和书写注释等按钮。在求解模型前，建议用户要先检测一下模型，看是否有错误和警告，以便在求解前排除问题，此外，还可以对所计算的模型书写备忘录，在大批量计算近似模型时，书写备忘录是个很不错的选择，方便用户查找和记录工程之间的差别。图 1-4 Maxwell V12 帮助菜单好的软件都具备一套完善的帮助文档，Maxwell V12 也是这样，鼠标左键点击在主界 4

面的 Help 菜单下的 Comtents 项或直接在键盘上按下 F1 键，软件会自动弹出如图 1-4 所示的实时帮助文档，该文档不仅包括了 2D 内容，还有 RMxprt 和 Maxwell 3D 两部分的帮助文档。对于新用户来讲，这个帮助文档是最好的培训教材，建议用户熟悉该文档的结构和相关内容。同时该帮助文档还支持关键词查询和索引等检索方式，也大大减少了用户花费在查询上的时间。 1.2 Maxwell 2D 的模型绘制在 2D 的新版本的绘图部分已经更改了许多地方，这也需要用户花费更多的时间来熟悉和适应新版本的模型绘制体系。绘制二维模型时，可以采用快捷按钮绘图，也可以采用下拉菜单绘制，两者的效果是相同的，在图 1-5 中所示图 1-5 Maxwell V12 绘图菜单在图 1-5 所示的绘图菜单栏中，自上而下分别为绘制线段、绘制曲线、绘制圆弧和绘制函数曲线；绘制矩形面、绘制椭圆面、绘制圆面和绘制正多边形面域；沿路径扫描，插入已有模型；绘制面、绘制点；插入多段线等操作选项，最后灰色的按钮是创建域，多用来绘制求解域等。在讲解模型绘制前，需要事先介绍软件的默认坐标系和模型绘制方式。图 1-6 所示的是在屏幕右下角的模型绘制坐标系，无论绘制线段还是圆弧，都可以在此对话框中输入所给定的坐标，因为软件采用的是 2D 和 3D 在同一个绘图区，所以在绘制 2D 模型时 Z 方向上的量可以恒定为 0，仅输入 X 和 Y 方向上的坐标数据即可。在三个方向上数据栏后有两个下拉菜单，第一个为绘制模型时的坐标，默认是采用 Absolut 绝对坐标，也可以通过下拉菜单将其更换为相对坐标，则后一个操作会认为前一个绘图操作的结束点为新相对坐标点起点。后一个下拉菜单是坐标系统的选择，共有三种常用坐标系统，分别是 Cartesiar 直角坐标系，Cylindrical 柱坐标系和 Spherical 球坐标系。当绘制的模型形状不一时，可以根据其需要更换不同的坐标系。软件默认的是直角坐标系。图 1-6 Maxwell V12 模型绘制坐标系 5

1.2.1 曲线模型的绘制在绘制曲线模型时，系统默认的是将封闭后的曲线自动生成面，如果用户不想让其自动生成面，可以在绘制曲线模型前，点击菜单栏中的 Tools/Options/Modeler Options 项更改绘图设置，如图 1-7 所示。单击 Modeler Options 后，会自动弹出如图 1-8 所示的界面。图 1-7 模型绘制选项图 1-8 模型绘制选项卡在 Operation，Display，Drawing 三个选项中，选择第一 Operation 选项，并将 Polyline 项下默认的 Autimatically cover closed polyline 项前的对号去掉，去掉对号后，单击确定按钮退出，系统将不再对封闭的曲线强制生成面了。在后续的绘图操作中，很多地方都需要事先将该选项屏蔽掉，还请读者对此多多留意。例 1-1：在 2D 中的 XOY 平面内绘制正四边形，边长等于 10 mm，起点坐标为原点(0， 0，0)，正四边形位于第一象限内。首先点击快捷按钮，新建一个 Maxwell 2D 工程文件，在点击绘制线段快捷按钮，或在菜单栏中选择 Draw/Line。在屏幕右下角的坐标栏内输入起点坐标 X=0，Y=0，Z=0 并点击键盘上的 Enter 键确认，再输入下一个顶点坐标 X=10，Y=0，Z=0，单击回车确认，继续输入第三个顶点坐标顶点 X=10，Y=10，Z=0，并回车确认；再次输入第四个顶点坐标 X=0，Y=10，Z=0，同时回车确认该点坐标，至此已经绘制完毕正四边形的三条边，最后再次输入坐标 X=0，Y=0，Z=0，点击回车确认后即可封闭曲线。整个流程如图 1-9 所示。（1）正四边形起点输入坐标（2）正四边形第二顶点输入坐标（3）正四边形第三顶点输入坐标（4）正四边形第四顶点输入坐标（5）正四边形封闭时输入坐标图 1-9 正四边形绘制流程中各点坐标值 6

(1) 不选择自动生成面时的效果 (2) 选择自动生成面时的效果图 1-10 正四边形绘制完毕后的图形从图 1-10 中可以看出，在采用自动生成面功能后，直接绘制正四边形的四条线段就可以自动形成正四边形面域。因为生成圆弧、整圆、样条曲线的方式与例 1 中的操作相似，都可以通过逐次输入关键点坐标实现，所以在此不做过多的叙述。例 1-2：在 2D 中的 XOY 平面内绘制三叶玫瑰线，不使封闭曲线生成面域。既然不让自动闭合的曲线形成面，那么仍需要在 Tools/Options/Modeler Options 中去掉 Polyline 项下默认的 Autimatically cover closed polyline 前的对号。同时由于三叶玫瑰线形状较为复杂，采用直线或圆弧等操作无法准确绘制，所以在此使用了函数绘制方式，而该绘制曲线方式对将来复杂模型处理极为方便快捷，故特别将其提出作为案例详细加以说明。假设需要绘制的三叶玫瑰线曲线参数方程如下： tx )( ty )( = = 10 10 ⋅ ⋅ sin( sin( t )3 t )3 ⋅ ⋅ t cos( t sin( ) ) ⎧ ⎨ ⎩ π≤≤ t0 很明显，如此复杂的形状不可能使用简单的曲线绘制方法实现，在其他商业有限元软件中多数都是通过转换其他 CAD 软件曲线图实现。而在 Maxwell 中可以通过采用参数绘制方式实现，非常方便。首先，在快捷按钮中点击按钮，或者在菜单栏中单击 Draw/Equation Based Curve 选项，系统会自动弹出参数曲线绘制窗口，如图 1-11 所示。图 1-11 参数曲线绘制窗口从上图可以看出，软件默认的参数变量为_t，在 X、Y、Z 三个方向上都可以设置为_t 的函数，而在 Start_t 和 End_t 中设置参数_t 的起始和终止范围，通过 Points 项可以设置由 2

多少个点组成该参数曲线，若设置为 0 则表示由软件默认的点数组成，此时的曲线较为光滑，若该项设置过少则曲线将有多段直线组成。点击图 1-11 中 X(_t)项后的按钮，则会弹出如图 1-12 所示界面。图 1-12 参数曲线绘制窗口在上图中 X(t)=项后一栏为 X 方向参数方程输入栏，可以在此直接输入关于_t 的参数方程。Insert Function 项是输入系统自带的内置函数，点击右侧的下拉箭头就可以看到非常丰富的内置函数，包括三角函数、反三角函数、取绝对值、求余、指数和对数等，基本满足常用计算需求。在下拉菜单里选择相应的函数，然后再点击 Insert Function 按钮就可以直接将内置函数填入参数方程栏内，当然如果用户对软件非常熟悉的话，也可以自行在参数方程栏中写入所需函数。Insert Operator 项是插入数学运算和逻辑操作，在该下拉菜单中包括常用的与、或、非、点乘、叉乘等操作，同样先点击右侧的箭头，在从中选择相应的数学操作，然后单击 Insert Operator 按钮即可。Insert Quantity 项是插入参数项，系统默认的参数名称为_t。在此分别在 X 向参数方程表达式中写入 10*sin(3*_t)*cos(_t)，并点击 OK 按钮退出设定界面。与之相似的是 Y(_t)项，点击图 1-11 中 Y(_t)栏后的按钮，在弹出的 Y 方向参数方程对话框中输入 10*sin(3*_t)*sin(_t)并点击 OK 退出设定窗口。由于需要在 XOY 平面内绘制三叶玫瑰线，所以在 Z 方向上可以设定为 Y(_t)=0。同时，参数_t 的初始值设定为 0，而终止值设定为 3.14159265，即实现在 0 度至π弧度内绘制曲线。为了使曲线看起来更加光滑逼真，在 Points 项中填写为 0，由软件自动设置采样点个数。所有参数输入完毕后如图 1-13 所示。图 1-13 参数曲线设定的数据整个参数设置完毕后，点击 OK 按钮退出即可。所绘制的三叶玫瑰线如图 1-14 所示。 3

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